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1、http:/ - 1 -高速公路护栏碰撞过程分析与力学模型高速公路护栏碰撞过程分析与力学模型 鲍业辉，江朝华 河海大学交通海洋学院 ，南京（210098） E-mail: G-girl- 摘摘 要要:从高速公路交通事故的统计资料出发，,分析了汽车与高速公路护栏事故在交通事故 中的比例与发展趋势，提出护栏碰撞研究。对护栏碰撞进行仪器，过程方面的介绍，并进行 了力学分析，总结分析结果，提出了改善高速公路交通安全的措施,指出了本领域的研究展 望。 关键词：关键词：高速公路；护栏；碰撞；力学模型 0. 引言引言 发生在高速公路上的交通事故约有 30%是车辆越出道路造成的,由此造成的特、重大恶性交通事故
2、占该类事故总数的比例高达 62%以上,我国每年有 1/3 的死亡事故发生在车辆与路侧碰撞的单车事故中1。且呈逐年上升趋势。于是，为保障高速公路交通安全必须采取一定的防护设施，而设置防撞护栏是最切实有效的措施之一。 汽车与高速公路护栏碰撞是极其复杂的事情，事故发生时，汽车的速度通常很高，事故非常剧烈，从而导致材料和部件的严重失效和汽车的改向2。由于汽车碰撞护栏的过程极其复杂， 评估护栏的安全性能也将是一非常复杂的问题。 目前采用的方法主要有实验研究和数值计算两大类34。 高速公路护栏作为一种被动冲击结构,其受力状态、变形过程和能量吸收的作用过程极其复杂, 它同时负担能量吸收和非破断保护两种角色,
3、 因此国外对其进行了广泛的研究, 分析研究汽车与高速公路护栏碰撞过程中汽车与乘员的动态响应和护栏的特性， 从而提出了改善高速公路交通安全的汽车、护栏的设计措施。在国内，1996 年，周志斌等提出了汽车与护栏碰撞后汽车的接触面积、碰撞力和碰撞力矩的算法；2001 年，雷正保等提出将汽车与半刚性护栏碰撞系统作为一个完整耦合的大系统来研究半刚性护栏防撞机理的理念；2004年，黄洪武等研究发现 ,通过减小摩擦力以及改变护栏板与立柱之间螺栓连接的临界失效载荷 ,可以提高事故中护栏对乘员的保护能力；2006 年，周炜等通过实车碰撞试验,研究车辆、护栏碰撞中的动态响应,分析护栏、汽车和乘员的特性以及相互关系
4、;护栏的不同结构形式与安装方式对乘员的安全性的影响5。 1. 碰撞过程分析碰撞过程分析 在分析中把护栏与汽车作为一个连续系统来考虑， 在计算过程中计入护栏的变形与汽车本身的变形。 1.1 基本假定基本假定 (1)汽车近似为刚体，但考虑到碰撞过程中车体前部局部变形，以无质量的塑性弹簧系数2K (只有压缩变形抗力而无恢复力的假想弹簧)表征其变形特征； (2)护栏作为单自由度体系,用弹簧系数 k1 反映护栏变形特征； (3)不考虑碰撞过程中护栏的阻尼作用； (4)基于冲击力影响范围有限,护栏近似作为一定宽度的悬臂构件6。 http:/ - 2 -1.2 碰撞仪器碰撞仪器 试验车上安装侧定汽车三维转动
5、、 位移、 加速度的仪器。 这些设备安装于车辆形心位置， 需很好保护。一般，要求仪器承受 50 g 减(或加)速度而不致损坏的能力。 驾驶位置安装模拟人，在心脏、头部、手、腿的重要部位安装传感器，以测量在碰撞过 程中各部位的加速度、碰撞力等。 车内摄影仪记录碰撞过程中车辆和模拟人的运动过程。 车内摄影仪同样需要有很好的保 护设施7。 所有安装在车内的仪器设备， 在碰撞过程中摄录的数据， 均由发射装置通过车顶天线把 数据发射出去。在紧急情况下，能接受紧急刹车命令。 试验车上装有碰撞接触器，只要试验车与护栏一接触，指示灯就亮，可精确地测定碰撞 初始时。 除车上安装的设备外， 试验场上还需配备一定量
6、的设备， 这样才能保证碰撞试验的正常 进行，并获得必要的数据。 1.3 碰撞简化碰撞简化 假设汽车碰撞护栏的过程分为两个阶段8： 第一阶段从首次接触护栏并与之碰撞开始到汽车靠向护栏其中周与护栏平行为止。 称汽车与护栏间的首次碰撞为第一碰撞。 汽车的横向速度损失集中发生在第一碰撞过程中。 汽车在该阶段以后的时间内质心横向速度保持不变且只在路面上做平面运动。 第二阶段从第二碰撞汽车纵轴平行于护栏时二者的碰撞开始。 随后， 车辆由于惯性作用将沿护栏爬升一定的高度再回落。 直到汽车完全脱离与护栏的接触为止。 数值计算的结果表明： 汽车在碰撞过程结束， 脱离与护栏接触时刻， 其纵轴与护栏纵向的夹角一般都
7、很小，故在该阶段中， 忽略汽车绕其纵轴的转动， 这样可以将汽车在第二阶段的空间运动解释为沿护栏纵向的直线运动和在垂直与护栏纵向平面内的平面运动。 1.4 冲击护栏力学模型建立冲击护栏力学模型建立(见图见图 1) 图 1 中,1m为护栏参与振动的等效质量;2m为包括载重量的汽车质量;K1 为反映汽车碰撞时护栏局部变形特征系数；2K为反映汽车碰撞时汽车局部变形特征系数,1x为汽车碰撞时护栏的变形值；2x为汽车碰撞时包括护栏变形和汽车局部变形在内的总变形值。 http:/ - 3 -1.5 动力方程动力方程 根据达朗贝尔原理,建立车辆和防撞护栏系统动力方程 () () =+=122221221111
8、 xxkxmxxkxkxm通过以上分析，可以引出三个护栏评价指标10：最大减速度的大小直接影响到事故过程中乘员风险的大小。是评估护栏安全性能的重要指标;最大倾斜角该是指汽车绕其纵轴转过的最大角度。 用以衡量车辆在事故过程中是否侧倾翻覆， 也是判断护栏安全性能的重要指标。该值要在第二阶段碰撞分析中获得；弹出角度该值过大，肇事车辆被突然弹回道路中央与后续正常行驶的车辆相撞。 因此弹出角度是判断引发二次事故可能性的重要指标。 弹出角度取决于经若干次碰撞后的车辆有护栏返回路面时质心在路平面内沿路面横向的速度分量。 3. 展望展望 高速公路护栏关系到人们的生命安全， 同时对于塑造我国道路交通安全新形象具
9、有重大http:/ - 5 -意义， 理当大力开展相关方面的深层次的研究。 随着我国公路建设的蓬勃发展和西部大开发的高歌猛进， 护栏的需求量将迅猛增长， 而真正符合我国道路交通情况的安全防撞护栏才有根本意义和长远的生命力。这也是摆在我国道路交通安全科学工作者面前亟待解决的问题。 参考文献参考文献 1高速公路丛书编委会.高速公路交通工程及沿线设施M.北京:人民交通出版社,1999. 2CHARLES,OAKLEY.A New Approach to Modelling Vehicle Interactions with Roadside Restraint Systems J.TRL Limited,UK,Paper NO.159. 3Hays E.Ross.Jr,Nixon John F.Impact Performance and an Ecaluation Criterion for Median Barriers.Texas Transpotation Institute.Texas A guardrail; collision; mechanical model
